（控制理论与控制工程专业论文）基于rfid的图书馆管理系统的研究.pdf

武汉理f ：大学硕十学何论文 摘要 现代信息化技术的发展，带动了图书馆在自动化、网络化和数字化方向的 进步。但馆藏文献，尤其是传统的纸质文献，仍然是图书馆基础的资源体系和 提供服务的最主要方式和内容。目前图书馆的管理主要还停留在传统的条形码 识别方式，在管理过程中不但费时费力效率低下而且无法实现自助借还等智能 化程度较高的管理方式，制约了图书馆管理系统的发展。解决这一问题的根本 途径是在逐步实现图书馆自动化、网络化、数字化的同时，积极探索实现图书 馆智能化技术手段。鉴于射频识别技术的识别距离远、支持多目标识别等特点， 将无线射频识别技术应用于图书馆管理，是比较理想的技术手段和新的研究与 应用领域。 论文首先分析了基于r f i d 技术的图书馆管理系统研究的背景和意义，详细 介绍了r f i d 技术，并在此基础上通过r f i d 技术与传统条形码技术的比较揭示 了r f i d 技术的优势，提出了将射频技术运用于图书馆管理系统的设计方案。然 后分析了目f ； 将无线射频识别技术运用于图书馆在识别距离、多标签识别防碰 撞算法、通信总线的选择等方面存在的问题，并在论文的相关部分对这些问题 给予了具体分析和提出了设计思想。， 在通信总线选择方面选用相比r s 4 8 5 总线抗干扰性更强的c a n 总线来提 高图书馆系统的稳定性，并通过增加c a n 网关环节来解决p c 机与c a n 网络阅 读器节点不能直接相连的问题；在识别距离方面考虑到高发射功率对人身体的 影响，因此选择小功率读写芯片并通过适当的增加功率放大电路来提高阅读器 的识别距离：另一方面由于图书馆需要处理的图书量非常大，因此一般的防碰 撞算法根本无法满足图书馆管理的要求。针对这一问题作者对当前不同的防碰 撞算法进行了深入分析和比较，提出了识别速度相对较快且易于实现的递减式 动态时隙a l o h a 防碰撞算法来解决多标签碰撞问题。仿真结果表明该算法即 使在同时识别1 2 8 张标签的时候依然保持高效，能够很好的满足图书馆管理的 要求。 关键字：射频识别技术，无线通讯，时隙a l o h a 武汉理l ：人学硕十学何论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h el i b r a r y m a n a g e m e n th a sm a d ear a p i dp r o g r e s si na u t o m a t i c n e t w o r k e da n dd i g i t i z e da s p e c t s b u tt h ec o l l e c t i o nl i t e r a t u r e ，e s p e c i a l l yt h et r a d i t i o n a lp a p e rl i t e r a t u r e ，i ss t i l lt h e f o u n d a t i o nr e s o u r c e sa n dt h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n to ft h es e r v i c e si nt h el i b r a r y a t p r e s e n tm o s to ft h el i b r a r ym a n a g e m e n ti ss t i l lu s i n gt h et r a d i t i o n a lb a rc o d e i d e n t i f i c a t i o na si t sm a n a g e m e n t h o w e v e rt h i sw a yi sn o to n l yt i m e c o n s u m i n gb u t a l s oi n e f f i c i e n td u r i n gt h em a n a g e m e n tp r o c e s s m o r e o v e r , i ti su n a b l et or e a l i z et h e s e l f - h e l pm a n a g e m e n to fb o r r o w i n ga n dr e t u m i n gb o o k s w h i c hw a yi sah i g h i n t e l l e c t u a l i z e dm a n a g ew a ya n dc a nh e l pr a i s et h el e v e lo fm a n a g e m e n t i nt h i sw a y t h el i b r a r ym a n a g e m e n ts y s t e m sd e v e l o p m e n ti sr e s t r i c t e d t h eb a s i cw a yt os o l v e t h i sq u e s t i o ni st oe x p l o r ep o s i t i v e l yt e c h n o l o g i c a lm e a n so fr e a l i z i n gt h el i b r a r y m a n a g e m e n tm u c hm o r ei n t e l l i g e n tw i t hl i b r a r ym a n a g e m e n t sd e v e l o p m e n ti n a u t o m a t i c ，n e t w o r k e da n dd i g i t i z e da s p e c t sg r a d u a l l y i nv i e wo fr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g ys u p p o r t i n gm u l t i t a r g e ta n d f a r d i s t a n c ei d e n t i f i c a t i o n a p p l i n gr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi nl i b r a r ym a n a g e m e n ti st h ei d e a l m e a n sa n dn e w t e c h n o l o g yr e s e a r c h t h ep a p e rh a sf i r s ta n a l y z e dt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fl i b r a r y m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nt h er f i dt e c h n o l o g y , i n t r o d u c e dt h ed e t a i l so fr f i d t e c h n o l o g ya n dp r o m u l g a t e dt h er f i dt e c h n o l o g ys u p e r i o r i t yo nt h eb a s i so f c o m p a r i s o nb e t w e e nt h er f i dt e c h n o l o g ya n dt h et r a d i t i o n a lb a rc o d et e c h n o l o g y , p r o p o s e dt h ea p p l i c a t i o no fr a d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g yi nt h el i b r a r ym a n a g e m e n t s y s t e m sd e s i g n t h e nt h ea u t h o ra n a l y z e dt h ep r o b l e m sw h e na d o p t i n gr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi n t ot h el i b r a r ys u c ha sh o wt od ow i t ht h e d i s t a n c eo ft h er f i d t h em u l t i t a g si d e n t i f i c a t i o nc o m m u n i c a t i o nb u sc h o i c ea n ds o o n a c c o r d i n gt ot h eq u e s t i o n s c o n c r e t es t u d ya n dd e s i g nc o n c e p tw e r eg i y e ni nt h e p a p e rr e l e v a n tp o r t i o n i nc o r r e s p o n d e n c eb u sa s p e c ts e l e c t e dc a nb u sw i t h s t r o n gr e s i s t a n c et o i n t e r f e r e n c et oe n h a n c eo fs t a b i l i t yo fl i b r a r ys y s t e m c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo f e m i s s i v ep o w e rt oh u m a nb o d yi ni d e n t i f i c a t i o n t h e r e f o r ec h o o s el o wp o w e rr e a d & w r i t ec h i p ，a n db ya d d i n gp o w e ra m p l i f i c a t i o ne l e c t r i cc i r c u i tt oe n h a n c er fr e a d e r s i d e n t i f i e dd i s t a n c e o nt h eo t h e rh a n da i m i n ga tt h eb o o k sq u a n t i t yw h i c ht h el i b r a r y n e e d e dt op r o c e s st o ，t h ea u t h o rh a sc a r r i e do nt h et h o r o u g ha n a l y s i sa n dt h e c o m p a r i s o na g a i n s td i f f e r e n tc o l l i s i o na l g o r i t h m ，d e s i g n e dd e c r e a s i n gp r o g r e s s i v e l y t y p ed y n a m i cs l o t t e da l o h a t os 1 3 i l v et h em u l t i t a g s c o l l i s i o np r o b l e mw h i c hh a s q u i c ki d e n t i f i c a t i o ns p e e da n di se a s yt or e a l i z e t h es i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h i s a l g o r i t h mm a yk e e pi t se f f i c i e n c yw h i l es i m u l t a n e o u s l yd i s t i n g u i s h i n g1 2 8t a g sa n d c a ns a t i s f yt h er e q u e s to fl i b r a r ym a n a g e m e n t k e yw o r d s ：r f i d ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，s l o t t e da l o h a 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：同期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 武汉理f ：人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 射频识别技术简介 射频识别技术( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是2 0 世纪9 0 年代开 始兴起的一种自动识别技术。它是利用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电 磁场) 来实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别的目的。与传统的 识别技术不同，射频识别技术解决了无源和免接触两大问题，同时可实现运动 目标识别、多目标识别，因此被广泛的应用于物流系统、零售行业、身份识别、 交通管理、农牧行业和医药行业等许多领域，成为2 1 世纪最热门的技术之一。 准确来说射频识别技术是一项较早的技术，在历史上的首次应用可以追溯 到第二次世界大战期间( 约1 9 4 0 年) ，其当时的功能是用于分辨出敌方飞机与 我方飞机。我方的飞机上装载有高耗电量的主动式卷标( a c t i v et a g ) ，当雷达发 出询问的讯号，这些卷标就会发出适当的响应，籍以识别友军和敌军。但是直 到2 0 世纪9 0 年代，这项技术才真正进入商业应用阶段，美国与欧洲的几家公 司开始着手r f i d 卷标的生产，并将其运用各种畜牧管理等多个领域。 射频技术的飞速发展是在1 9 9 9 年l o 月1 日a u t o i dc e n t e r 正式创建之后。 a u t o i dc e n t e r 的领导组织是美国的e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 环球协会， 旗下有沃尔玛集团、英国t e s c o 等1 0 0 多家欧美的零售流通企业，同时有i b m 、 微软、飞利浦、a u t o i d l a b 等公司提供技术研究支持。a u t o i dc e n t e r 诞生后， 迅速提出了产品电子代码e p c 的概念以及物联网的概念与构架，并积极推进有 关概念的基础研究与实验上作，加快了射频识别技术标准的建立和技术的发展。 可以说，e p c 与物联网的概念将射频识别技术的应用推到了极致，最终导致射 频识别技术成为本世纪发展最快的技术之一1 1 1 。 1 1 2 射频识别技术的优势 射频识别技术和传统识别技术相比，尤其是与现在主流的条形码技术进行 比较，它具有以下六大优势。表1 1 是常见识别技术的比较【2 1 。 武汉理1 ：大学硕 ：学位论文 表1 1 几种常见识别技术比较表 条形码 磁膏 i c 卡识别射频识别 信息载体纸质物体磁性物质 e e p r o m e e p r o m 信息量小一般大大 读取方式激光束扫描电磁转换电擦写无线通讯 读、写性只读读写读写读写 保密性很差一般很好很好 抗干扰能力差差好很好 多目标识别能力不能不能不能能 识别距离近很近很近远 成本最低低较高较高 ( 1 ) 快速扫描 条形码一次只能扫描一个条形码；而射频识别技术支持批量处理，r f i d 阅 读器可以轻易实现同时处理2 0 0 个以上的射频标签。 ， ( 2 ) 抗污染能力和耐久性高 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但射频标签对水、油和化 学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱 上，所以特别容易受到损坏。射频标签是将数据存在芯片中，因此可以避免受 损。 ( 3 ) 可以重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，射频标签则可以重复的修改、删 除r f i d 标签内储存的数据，方便信息的更新。 ( 4 ) 可以穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，r f i d 能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的 材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻 挡的情况下，才可以辨读条形码。 ( 5 ) 数据的记忆容量大 2 武汉理i ：人学硕_ 学 上i 仑文 一维条形码的容量是5 0 b y t e s ，二维条形码最大的容量可储存2 至3 0 0 0 个 b y t e s ，而射频标签最大的容量则有数兆b y t e s 。随着记忆载体的发展，未来物品 所需携带的资料量会越来越大，对标签所能扩充容量的需求也相应增加。射频 标签大容量的优势将得以体现。 ( 6 ) 安全性能高 由于r f i d 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不 易被伪造。 1 1 3r f i d 射频识别技术的应用 在应用方面，射频识别技术有着广阔的前景。一直以来射频识别技术都被 认为最终将取代条形码，然而它的应用不会仅仅局限在供应链、物流零售等方 面，随着r f i d 射频识别技术的进一步发展和市场化，它会在更多领域、更多行 业中大显身手。 ( 1 ) 零售行业 在企业分销中和零售业配送中，r f i d 从货物离开仓库的那一刻起就己经开 始发挥作用。当整车的货物离开分销中心时，系统就开始对拖车上的货物进行 识别，这样商店经理就可以跟踪来自于商店仓库信息系统的每一条发运信息， 知道发出了哪些货物，它们什么时候到达。当拖车到达商店时，再经过一次射 频识别，看一看是否丢失了什么，这样就不再需要检查每一个拖车和实际统计 货物数型引。 一旦商品摆在货架上，当货架商品量出现短缺时，嵌入的射频阅读器向商 店后端办公系统发送一条消息，随后货物就会按需补充，这样就避免了由于商 品短缺造成的销售损失。另外，射频阅读器还可以跟踪商品的销售速度和销售 最好及最差的商品，并具有安全防盗功能，只要射频标签中的防窃功能处于激 活状态，那么商店出口处的传感器就能发出告警信息，而在收款台，防窃程序 会自动取消。在收款台，带有射频标签的货物会再经过最后一次扫描，同时更 新库存。 另外，商店的顾客可以直接了解他们所想要的商品，并立刻得到带有射频 标签的商品的有关信息。这样，选择一张d v d 或c d 就非常简单，因为顾客可 以在商店内的任何一个电子便利站内扫描产品，并选择播放影碟或音乐片断。 3 武汉理i ：人学硕f = 学书，论文 过去，在收款台等候时间长是一个头痛的问题。在新的商店中，购物车中 的射频标签会告诉商店管理层有多少购物车出入商店，若商店内使用的购物车 数量增加，那么就开放更多的收款台来满足处理大量顾客的要求。 ( 2 ) 物流行业 虽然现有r r 和自动化技术大大提高了该领域的效率，但有很多上作仍然主 要依靠人上来完成，例如货物的清点、盘库和数据录入等。虽然有手持式条形 码识别器等辅助上具，但效率低下、差错率居高不下等问题仍然无法得到有效 的解决【4 。 信息的准确性和及时性是供应链与物流管理的关键，这恰恰是r f i d 技术最 突出的优点之一。如果每件商品都贴上了r f i d 标签，无需打开产品的外包装， 系统就可以对其成箱、成包地进行识别，从而准确地随时获得产品的相关信息， 例如种类、生产商、生产时间、生产地点、颜色、尺寸等等。r f i d 系统可以实 现商品从原料、半成品、成品、运输、仓储、配送、排架、最终销售，甚至退 货处理等所有环节进行实时监控，不仅能极大地提高自动化程度，而且可以大 幅降低差错率，从而显著提高供应链的透明度和管理效率。 ( 3 ) 身份识别、防伪、门禁和防盗系统 r f i d 作为一种识别技术，顺理成章地可以用来验证和检查人群与物品的身 份。其显著的优点之一，就是它的无线读取方式大大提高了有效识别的距离， 从而可以更加高效地处理有关数据，或者为对特殊情况做出反应赢得更多的时 间。 据n c r 等机构的统计，2 0 0 1 年美国零售商库存损失额约为3 3 0 亿美元。偷 窃行为的肆虐，使零售商不敢把一些体积较小而价格昂贵的物品以“开架”方 式陈列出售，从而影响销售。射频标签的体积很小，可以很容易地植入产品或 者其外包装中间，很难被小偷发现或者剪除，而且标签的识别( 指探测到标签， 而不是准确读取所有数据) 准确率几乎可以达到1 0 0 。因此，应用射频识别技术 的r f e a s ( e l e c t r o n i c a r t i c l es u r v e i l l a n c e ) 被认为是最理想和最可靠的监控方 式。 ( 4 ) 交通管理和自动收费领域 车辆自动识别方面，早在1 9 9 5 年北美铁路系统就采用了射频识别技术的车 号自动识别标准，在北美1 5 0 万辆货车、1 4 0 0 个地点安装了射频识别装置。近 年来，澳大利亚开发了用于矿山车辆的识别和管理的射频识别系统。 4 武汉理i ：人学颂十j 学伊论文 在国内的高速公路收费及智能交通方面，佛山公路收费系统采用的就是射 频识别技术【5 1 。装有射频标签的汽车能被自动识别，无须停车缴费，大大提高了 行车速度和效率。目前在我国很多地区高速公路大部分采用的还是人上停车收 费的方式。与佛山射频识别公路收费系统相比，差距显而易见。利用射频识别 技术的不停车高速公路自动收费系统是将来的发展方向，人工收费包括i c 卡的 停车收费方式也终将被淘汰。 ( 5 ) 在医疗行业 医疗监护的应用【6 l ：在许多医院，每天急诊病人数量很大，尤其在一些大 型的急救中心。当事故发生，有大批伤员涌进医院时，此时每一分一秒都显得 尤为珍贵，而且也容不得半点差错。为了能对所有病人进行快速身份确认，完 成入院登记并进行急救，医务部门迫切需要确定伤者的详细资料，包括姓名、 年龄、血型、亲属姓名、紧急联系电话、既往病史等，只有这样，医院工作人 员才能依靠准确的信息有序地上作。以往的人工登记方式既速度慢且错误率高， 而且对于危重病人根本无法j 下常登记。美国w i l f o r dh a l l 治疗中心是一个有着 1 0 0 0 个病床，2 4 小时接收伤病员的空军医院。为了加快急诊抢救病人的处理速 度，他们采用了r f i d 应用系统。过去医院接受一名病人，仅仅是入院登记就需 要1 5 分钟左右，而今采用了r f i d 医疗卡，只需短短的2 分钟! 医药供应链的管理应用：在医疗领域每年都会发生大量的处方、药品配送 和服药等方面的错误，从而导致许多医疗事故、产生大量误工时间和法律诉讼， 据统计，每年在这些方面造成的损失就高达7 5 0 亿美元，改进药品追踪手段能 有助于医院节省费用，并且能遏制假冒伪劣药品的泛滥，而目前假冒伪劣药品 在全球药品市场中占据了1 0 的份额。 1 1 4 当前图书馆管理现状 2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术、通信技术的飞速发展，各大图书馆 纷纷通过对图书馆管理方式进行不断的创新来提高其管理效率。通过十多年的 努力逐渐完成从传统型图书馆向数字型图书馆转变，基本取消了效率低下的手 工借阅图书的方式，实现了条形码信息录入与磁条报警系统相结合的图书馆管 理方式。这种管理方式简化了借阅手续并提高了效率。成为目前运用最为广泛 的图书馆管理方式， 5 武汉理l ：人学硕l ：学f 节论文 条形码信息录入与磁条报警系统相结合的图书馆管理方式的最大优点是成 本低廉，每一个条形码的价格大约在1 分左右。但是受其本身特点的限制其智 能化程度不高，因此在图书馆的管理方面同样存在着很多问题1 7 1 。 ( 1 )图书信息录入效率相对来说不高。条形码的信息载体大多是印有条 码的纸，其抗损坏的能力比较差。由于潮湿、腐蚀等原因将导致条码的可读性 性能的降低，因此要保证信息的正确录入，通常只能采用人工的信息录入方式， 而不太可能实现借阅者自助信息录入的方式。另一方面条形码不支持多目标的 识别，因此信息录入的效率相对来说并不高。 ( 2 ) 报警系统智能化程度低，容易产生误报警。条形码虽然能够实现信 息的录入，但受其激光束扫描的信息录入方式的限制，不能用于报警系统。因 此大多数图书馆采用了磁条报警系统。该报警系统的报警机制是通过发射一定 频率的磁场使夹在图书中的磁条发生共振，并产生谐波来达到报警的目的。基 于这种机制该系统对任何带有符合共振标准的磁条、甚至是易磁化的铁片都会 产生报警，因此存在着一定的误报警率。事实上这与我们图书馆报警管理的初 衷并不完全一致。如果可以选择的话，读者将会更青睐于智能化性能高的报警 系统。 ( 3 )图书排架管理效率非常低。受条形码的特性限制，图书的排架管理 还只能采用人工方式【8 9 j ，面对上百万的图书，管理起来不但费时、费力而且难 以让人满意。成为制约图书馆管理技术发展的一大瓶颈。 随着时代的发展，图书馆的规模正在不断的扩大，馆藏图书数量在不断飞 速增长，借阅者对图书馆管理智能化的要求也在不断的提高。在这种新的环境 下，仍然采用条形码信息录入与磁条报警系统相结合的图书馆管理方式显然在 管理效率和管理智能化方面都不能很好的满足图书馆的管理要求。因此要从根 本上解决这一问题，需要采用一种新兴的图书信息自动识别技术。本课题所研 究的基于r f i d 技术的图书馆管理系统的研究正是在这种社会背景和技术背景 下提出的。 1 1 5 课题研究的意义 种种迹象表明，射频识别技术正在加快商业化市场化进程。就全球而言， 各大软件硬件厂商，包括i b m ，m o t o r o l a ，p h i l i p s ，t i ，m i c r o s o f t ，o r a c l e ，s u n ，b e a , 6 武汉理l ：人学硕卜学位论文 s a p 等在内的各家企业都对r f i d 技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，相继投入 大量研发经费，推出了各自的软件或硬件产品及系统应用解决方案。我国的r f i d 市场也处于稳步起飞发展阶段。现在介入射频识别技术的研究是一个绝佳的机 会，本课题选择图书馆管理作为射频识别技术的应用领域，其重大意义在于以 下几个方面： ( 1 ) 对射频识别技术的研究与应用有利于推动射频技术在中国的发展。 射频识别技术在我国还处于起步阶段，在各个领域的运用还不广泛，与国 外相比还有着不小的差距【1 0 l 。因此将射频识别技术运用于图书馆管理系统等应 用领域将有助于推动射频识别技术在我国的发展，从而使中国在将来射频技术 领域的竞争中不至于处于不利的地位。 ( 2 ) 突破传统图书馆智能管理系统的瓶颈。 目前各大图书馆主要采用传统的条形码信息录入与磁条报警系统相结合的 管理方式。效率低，误报警率高、图书排架管理困难。射频识别技术能很好的 解决传统管理方式带来的这些瓶颈。 在图书信息采集方面，射频阅读器对图书标签的识别及信息的传输通过非 接触方式，不易损坏，可读性性能好，因此可以实现读者自主借阅的高效借阅 方式；另一方面射频识别系统支持对多目标的识别，可以同时对多本图书标签 同时进行信息采集。因此大大提高了图书借阅效率。， 在图书报警方面，阅读器可以通过对图书标签内容借阅信息的判断来实现 报警功能。其报警对象仅限于本馆图书。因此误报警得以解决。 在图书排架管理方面：由射频阅读器读取图书标签信息及对应的书架号信 息，来查询出摆放不正确位置的图书，既方便图书馆工作人员对图书进行管理， 也提高了图书馆上架管理的效率。 ( 3 ) 射频识别技术上的突破将带来丰厚的经济效益。 目前制约射频识别技术的主要原因是射频标签的价格，但是随着射频技术 的发展，制作工艺的提高，射频标签的价格将大大降低，资料显示功能简单的 射频标签的价格在未来的1 0 年里将下降到几美分，那时基于射频识别技术的图 书馆管理系统将会降低图书馆管理所需要的成本，从而给图书馆带来一定的经 济效益。 7 武汉理i ：人学硕十学何论文 1 2 课题研究的主要工作和论文结构 1 2 1 本课题的主要工作 r f i d 技术是一个涉及范围相当广的课题，它包含了好几个领域的内容，比 如数字编码理论、密码学、校验与纠错理论、电磁学、单片机接口技术、m c u 编 程等；作者的任务是在研究这些基本理论的基础上提出一个适用于图书馆管理 系统的设计方案。主要包括： ( 1 ) 针对图书馆的具体环境和通讯要求，设计c a n 通信总线实现各个阅 读器节点和上位机的通信。 ( 2 ) 完成阅读器显示、键盘输入，音频报警等功能模块的相关设计。 ( 3 ) 在阅读器射频模块的硬件部分小功率的射频读写电路的设计中通过增 加功率放大电路来提高阅读器的识别距离。 ( 4 ) 在阅读器软件设计部分，分析当前主要碰撞算法的优缺点提出符合图 书馆对大量图书识别的碰撞算法。并通过仿真验证其可行性。这部分是本文研 究的重点。 1 2 2 论文结构 全文内容安排如下： 第一章：介绍射频系统的背景和意义，提出了本课题研究的相关工作和论 文结构。 第二章：介绍射频识别技术的相关理论。 第三章：图书馆管理系统的总体设计方案及设计中存在的问题。 第四章：阅读器硬件设计。 第五章：阅读器防碰撞算法软件设计。 第六章：图书馆通信总线的设计。 第七章：对本文的工作进行总结和展望，提出系统中有待解决和需要完善 的地方。 8 武汉理i ：人学硕十：学侮论文 第2 章射频识别技术 2 1 射频识别系统的组成 一般来说，射频识别系统主要包括射频标签( t a g ) 、阅读器：( r e a d e r ) 和管 理系统( p c 机) 三部分【1 1 1 。射频标签和阅读器之间通过无线电波或微波来实现 非接触式通讯。射频识别系统的组成结构如图2 - 1 所示。其中射频标签与阅读器 之间通过耦合元件( 射频天线) 来实现射频信号的空间耦合。在耦合通道内，根 据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。 p c 机 图2 - 1 射频识别系统的基本组成图 标签t a g ( 1 ) 射频标签 。 射频标签1 1 2 d 3 】又称应答器或电子标签，是系统的真正数据载体。一般情况 下，射频标签由标签天线和标签专用芯片组成。每个射频标签都具有唯一的电子 编码( u i d ) 附在所要标识的物体上。射频标签相当于条形码技术中的条形码符 号，用来存储需要识别和传输的信息。与条形码不同的是，射频标签必须能够自动 或在外力的作用下，把存储的信息主动发射出去。射频标签可以像纸一样薄，可编 程，射频标签内存储的信息可按特殊的应用随意进行读取和改写。 依据射频标签供电方式的不同，射频标签可以分为有源射频标签和无源射 频标签。从功能方面可分为只读标签、可读写标签、带微处理器标签和配有传 感器的标签。 9 武汉理。1 ：大学硕t 学f 市论文 ( 2 ) 阅读器 阅读器又称读出装置或读头，是负责读取或写入射频标签信息的设备。阅 读器可以是单独的个体，也可以作为部件嵌入到其他系统中。它可以单独实现数 据读写、显示和处理等功能，也可以与计算机或其他系统进行联合，完成对射频标 签的操作。其主要组成有射频模块、控制模块、接口电路以及天线部分。 ( 3 ) 管理系统 数据管理系统主要完成数据信息的存储、管理以及对射频标签进行读写控 制。数据管理系统可以是市面上现有的各种大小不一的数据库系统，也可以是面 向特定行业的高度专业化的管理数据库。 2 2 射频识别系统基本原理 阅读器部分 数据调制 ， l r l t i | 一 岛一 r 射频标签部分 整流 图2 2 射频识别系统原理示意图 ( 1 ) 能量传输 对于无源射频标签，供芯片运行所需要的所有能量都要由阅读器发送。阅 读器和r f i d 之间能量的传递基于耦合变压器原理【1 4 】，参见图2 2 所示。阅读器 通过在终端产生强大的高频磁场来传送能量，如果一个射频标签被放到阅读天线 附近，阅读器天线产生磁场的一部分就会穿过射频标签的线圈并在射频标签的 线圈里产生感生电压u 。这个电压经过整流后对芯片供电，由于阅读器天线与 射频标签线圈的耦合非常弱，因此需要通过给线圈。并联电容c 构成谐振电 1 0 武汉理i ：人学硕卜学位论文 路，来提高发射功率。 ( 2 ) 数据传输 射频识别系统的数据传输主要通道是由电磁波耦合方式构建的空间电磁波 传输的通信信道。在通信过程中，阅读器和射频标签根据约定的时序和通讯协 议通过信道来完成基带信号的传输。由于很多信道都不能或不适合直接传送基 带信号，因此在传输前要根据需要对所要发送的基带信号进行编码( 有时可以 进行加密算法的设定) ，然后采用相应的数字调制技术，即采用基带信号对载 波波形的某些特定参量( 振幅、频率、相位) 进行控制，使载波的这些参量随 基带信号的变化而变化，从而实现信号的发送。接收过程正好和发送过程相反， 把经过调制的基带信号解调，然后解码( 对有加密算法的数据进行解密) 最终 完成基带信号的接收。不同的电磁波耦合方式、载波频率、传输时序、通讯协 议、数字信号的调制解调以及编解码方式，都会对射频识别系统的性能产生一 定的影响1 1 5 j 。 2 3 基带编码技术 由于很多信道不能或不适合直接传送基带信号，所以基带信号在传输之前 需要进行编码。在编码方式的选取上要尽量使要传输的信息和它的信号表示尽 可能最佳的与传输通道的性能相匹配，从而提高信号的传输效果。除此以外， 根据要求还可以考虑通过编码对信息提供某种程序的保护【1 6 1 ，防止信息受干扰 或碰撞以及对某些信号特性的蓄意改变等。在无线通讯中还需要将能量的传输 考虑进去。 在r f i d 系统中基带编码数字调制通常使用的编码方法有以下几种： ( 1 ) 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码 在半个b i t 周期的负边缘表示二进制1 ，半个b i t 周期的正边缘表示二进 制0 。由于跳变发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位 同步时钟。因此，这种编码也称为自同步编码。m a n c h e s t e r 编码经常用于 从应答器到阅读器的数据传输，并且在二进制搜索的防碰撞算法中运用最为广 泛1 1 7 1 。 ( 2 ) 反向不归零制( n r z ) 编码 “高”信号表示二进制1 ，“低”信号表示二进制0 ，其编码形式比较 武汉理l ：入学硕卜位论文 简单。 ( 3 ) 单极归零制( u n i p o l a rr z ) 编码 在半个b i t 周期中的“高信号表示二进制1 ，而持续整个周期的低信号 表示二迸制0 。 ( 4 ) 差动双向( d b p ) 编码 在半b i t 周期中的任意边缘表示二进制0 ，而没有边缘就是二进制1 。 此外，在每一个b i t 周期开始时，电平都要反向，这样对于接收器来说，位节拍 信号容易重建。 ( 5 ) 米勒( m i l l e r ) 编码 在半个b i t 周期的任意边缘表示二进制1 ，而经过下一个周期中不变的1 电平则表示二进制o 。如果连续一串o 则在ob i t 周期开始时产生电平交 变。 图2 3 是各种编码的波形图。 曼彻斯特编码 巾ir m 反向不归零编1 厂i 厂一 反向不归零编码 一lii ： l 靴一订i 广 l i广 差动双响编码 il 厂 差动双响编码 ： i ： lll ： ii l j _ ji - ji 米勒编码 1i _i 厂 米勒编码 l ： il ： l i j i ! - j! i ! _ j 图2 3 各种编码波形图 在为射频识别系统选择一种合适的信号编码系统时，应当注意不同的边缘 条件。最重要的是调制后的信号频谱，以及对传输故障的敏感度。此外，对无 源射频标签( 射频标签的能源取自阅读器的h f 场) 来说，不允许由于信号编 码与调制方法的不适当的组合而中断应答器的能量供应。当然在对于多标签识 别系统来说不同的编码的选取还会导致防碰撞的算法上的不同。 1 2 武汉理i ：大学硕十位论文 2 4 数字调制技术 阅读器与射频标签之间的数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进 行。为了实现数据的高速、远距离的传输，必须把数据信号叠加在一个规则变 化的信号比较强的电波上，由于正弦信号形式简单，便于产生及接收，大多数 数字通信系统中都采用正弦信号作为载波，及正弦载波调制【l 引。射频识别系统 采用的数字调制方法主要有振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 。 如图2 4 所示： 厂 厂 厂厂 ，厂厂 叫卅1 八八肌广八肌m 肛 a s i k f s kp s k 图2 4 正弦载波调制方式示意图 ( 1 ) 振幅键控( a s k ) 在振幅键控方式下当基带信号值为二进制1 时，载波幅值为u ，；当基带 信号值为二进制0 时，载波幅值为“：。定义调制系数m 一( 1 l l 一“：) ( + “：) 。 当u ，= 0 时，调制系数m = 1 0 0 。其优点在于其调制实现方便。 ( 2 ) 频移键控( f s k ) 在频移键控方式下载波通过二进制编码信号0 、1 ，在两个频率五和厶 之间进行切换。 ( 3 ) 相移键控( p s k ) 在相移键控方式下载波通过二进制编码信号o 、1 ，在两个相位状态0 。和1 8 0 。之间进行切换。其优点是其9 0 的功率被传输出去，方便对射频标签 的能量传递。 ( 4 ) 副载波的负载调制 副载波的负载调制法【1 9 】并不属于上述三种调制方法，而是在射频识别技术 中为方便阅读器对射频标签信息解调而经常使用的调制方式。通常负载波调制 用于频率范围为6 7 8 m h z 、1 3 5 6 m h z 或2 7 1 2 5 m h z 的电感耦合系统中。 武汉理l ：人学硕十学何论文 由于阅读器和射频标签线圈间的耦合度较低，所以在阅读器罩由负载调制 所感应的电压变化也是非常小的。在实践中，可用的信号幅度只有几毫伏，被 阅读器传输的强大信号所覆盖，只能用精密的电路才能检测出来。因此，一般 采用一个频率为厶的辅助载波频率，在阅读器上要接收的数据信号就出现在频 率为厅厂的两个边带上，如图2 5 所示。使用带通滤波器将这些数据信号从 非常强的阅读器发送信号中检测出来并放大。这样，这些信号就很容易被解调。 【， 0 d b 3 0d b 2 5 防碰撞技术 1 ： 乞厶j 调制边带终端载波信号调制边带 图2 - 5 副载波的负载调制示意图 在射频识别系统工作时，可能会有一个以上的射频标签同时处在阅读器的 作用范围内，这样如果有两个或两个以上的标签同时发送数据，就会导致通信 上的冲突。为了防止这些冲突的产生，射频识别系统中需要设计相应的防碰撞 技术。在通信中我们称这种技术为多址技术闭j 。 ( 1 ) 空分多址( s d m a ) 法 空分多址( s d m a ) 法是在分离的空间范围内重新使用确定的资源( 通信容量) 的技术。 一种可能性在于使单个阅读器的作用距离明显地减少，而把大量的阅读器 和天线的覆盖面积并排地安置在一个阵列之中。因此阅读器的通路容量在相邻 的区域内可重新使用。这样，当应答器经过这个阵列时就经过了整个配置中的 某个天线的作用范围。因此，由于空间分布，许多应答器可以同时读出。 1 4 武汉理f ：人学硕卜学何沦文 另一种可能性在于在阅读器上利用电子控制定向天线，该天线的方向直接 对准某个应答器。所以，不同的应答器可根据在其阅读器作用范围内的角度位 置互相区别开来。r f i d 用的自适应s d m a 由于天线的结构尺寸，只有当频率大 于8 5 0 m h z ( 典型的是2 4 5 g h z ) 时才能使用。 ( 2 ) 频分多址( ( f d m a ) 法 频分由l ( f d m a ) 法是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供给通信 用户使用的技术。对于r f i d 系统来说，可以使用具有可自由调整的、非发送频 率谐振的射频标签。对标签的能量供应以及控制信号的传输则使用最佳的使用 频率厂，标签可以使用若干个供选用的应答频率。因此，对于标签的传输来说 可以使用完全不同的频率。 f d m a 的缺点是阅读器的费用相当高，因为每个接收通路必须有自己单独 的接收器提供，所以这种方法只能在少数几种特殊应用上。 ( 3 ) 码分多址( c d m a ) 法 码分多址( c d m a ) 法是数字技术的分支扩频通信技术发展起来的一 种崭新的无线通信技术。c d m a 技术的原理基于扩频技术。由于其频带利用率 低、地址码选择较难、接收时地址码捕获时间较长等原因很少在r f i d 系统中使 用。 ( 4 ) 时分址( t d u a ) 法 时分多址( t d m a ) 法是把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户 的技术。它在数字移动无线电系统的范围内广泛